课 程 设 计 报 告
设计题目：数字电子钟设计与实现
班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 设计时间：
摘
要
数字时钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛于个人家庭以及办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来了极大的方便。由于数字集成电路技术的发展采用了先进的三石英技术，使数字时钟具有走时准确、性能稳定、携带方便等优点，它还用于计时、自动报时及自动控制等各个领域。尽管目前市场上已有现成的数字时钟电路芯片出售，价格便宜、使用也方便，但鉴于数字时钟电路的基本组成包含了数字电路的组成部分，因此进行数定时钟的设计是必要的。在这里我们将已学过的比较零散的数字电路的知识有机的、系统的联系起来用于实际，来增养我们的综合分析和设计电路的能力。
本次设计以数字时钟为主 ，实现对时、分、秒数字显示的计数器计时装置，周期为24小时，显示满为23时59分59秒并具４有校时功能的数电子时钟。电路主要采用中规模的集成电路，本电路主要脉冲产生模块、校时模块、两个六十进制模块（分、秒）、一个二十四进制模块（时）和一个报时逻辑电路组成。时、分、秒再通过BCD-7段译码显示屏显示出来。
关键词：计数器
译码器 校时
目
录
1 概述
2 2 课程设计任务及要求
2.1 设计任务
2.2 设计要求
4 3 理论设计
3.1方案论证
3.2 系统设计
3.2.1 结构框图及说明
3.2.2 系统原理图及工作原理
3.3 单元电路设计
3.3.1秒脉冲电路设计
3.3.2时、分、秒计数器电路
3.3.3校时电路
3.3.4译码显示电路
3.3.5定时电路设计
4.软件仿真
4.1 仿真电路图
4.2 仿真过程
4.2 仿真结果
5.结论
6.使用仪器设备清单
7.参考文献。
8.收获、体会和建议。
4 5 5
7 8 10 11 13
15 15 16
18191920
2.课程设计及要求
2.1设计任务
数字电子时钟是一种用数字电路技术实现“时”、“分”、“秒”计时的装置。其中，时间以24小时为一个周期；显示时、分、秒；具有校时功能，可以分别对时、分进行单独校时，使其校正到标准时间；时钟具有闹钟功能；具有开机清零功能；设计所需的脉冲电路。
2.1设计要求
独立完成系统的原理设计。说明系统实现的功能，应达到技术指标，进行方案论证，确定设计方案。画出电路图，说明各部分电路的工作原理，初步选定所使用的各种器件的主要参数及型号，列出元器件明细表。系统中包含的中小规模集成电路的种类至少在六种以上。根据理论设计用multisim 7在计算机上进行仿真。验证所设计方案的正确性。
3.理论设计
3.1方案论证
数字时钟是一个将“时”、“分”、“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。电路由秒信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器、显示电路、校准电路、定时电路等组成。秒、分、时分别为60、60和24进制计数器。分、秒均为60进制，显示00—59，个位为十进制，十位为六进制；时为24进制，对于24进制来说个位为十进制，十位为三进制。用74LS161和74LS160均可实现六十进制和二十四进制计数器，再通过LED六段显示器将具体信号显示出来。整点报时电路是根据计时系统的输出状态产生一个脉冲信号，然后去触发触发器实现报时。校时电路是通过改变时计数器和分计数器的输入脉冲来实现校时功能。
3.2系统设计
3.2.1结构框图及说明
原理框图如图1所示
图1
该系统的工作原理是：
由石英晶体多谐振荡器和分频器产生1HZ标准秒脉冲。“秒电路”、“分电路”均为00—59的六十进制计数、译码、显示电路； “时电路”为00—23的二十四进制计数、译码、显示电路。校时电路分别控制对时和分的校正。
3.2.2 系统原理图及工作原理
系统具体电路连接情况如图2
GNDGNDCKCKCKCKCKCKU24ABCDEFGABCDEFGU25ABCDEFGU13ABCDEFGU15ABCDEFGU6ABCDEFGU84041424344454613121110915144748495051527613121110915145657585960616213121110915143165666768697091011121314151312111091514202122232425261312111091514OAOBOCODOEOFOG1312111091514OAOBOCODOEOFOG~LT~RBI~BI/RBO~LT~RBI~BI/RBO~LT~RBI~BI/RBO~LT~RBI~BI/RBO~LT~RBI~BI/RBOABCDABCDABCDABCD7126354ABCD71263547126ABCDU1274LS48NU1474LS48N71263547126354712653547255U16B7474LS08D6475631413121115354U3B7874LS08D16171887~LOAD~CLR35363432141312111537U21B74LS03N14131211151413121115QAQBQCQDQAQBQCQDQAQBQCQDRCORCORCOQAQBQCQD141312111514131211~LOAD~CLR~LOAD~CLR~LOAD~CLRQAQBQCQDRCOQAQBQCQDCLKCLKCLKENPENTENPENTENPENTENPENTCLKU20B2774LS08DU17AABCDABCDABCD710710710ABCD54RCO74LS160N710~LOAD~CLR~LOAD~CLR34569123456912345691234569121U274LS160NCLK15U18U1974LS160NU107374LS160NRCOU974LS160N354~LT~RBI~BI/RBOU2274LS48NU2374LS48NU574LS48NOAOBOCODOEOFOGU774LS48NOAOBOCODOEOFOGOAOBOCODOEOFOGOAOBOCODOEOFOGU174LS160NCLK2ENPENT300710VCC9VU26A9VVCC274LS21N710VCCU11BABCD34569123456U4BVCC674LS00D74LS00D09VVCC78J23J1U27ALTBAEQBAGTBB0A0B1A1765OALTBOAEQBOAGTBB2A2B3A32349101112141311574LS21D3877I2BIPOLAR_CURRENT092U28ALTBAEQBAGTB2349101112141311588Key = SpaceVCC29I1BIPOLAR_CURRENT0U34ALTBAEQBAGTBB0A0B1A1765OALTBOAEQBOAGTBB2A2B3A323491011121413115Key = Space8584U29OR283393381820765OALTBOAEQBOAGTBB0A0B1A1B2A2B3A380VCCU33ALTBAEQBAGTB2349101112141311596U32ALTBAEQBAGTB23491011121413115U31ALTBAEQBAGTB23491011121413115VCCR2100Ω04RSTDISTHRTRICON9V7485N7485N8VCCOUTU3038689765OALTBOAEQBOAGTBB0A0B1A1B2A2B3A39495765OALTBOAEQBOAGTBB0A0B1A1B2A2B3A3999798765OALTBOAEQBOAGTBB0A0B1A1B2A2B3A3LED279LED1VCCR1100Ω9V71R3100Ω7906257485N937485NVCC7485N7485NC1100nF0VCC91GND1C21nFLM555CN9VVCCVCC9VR4100Ω101C4100nF10274LS04DC3100nF10347691280ABCDVCCENPENTU35100U378VCCRSTDISTHRTRICONGND1OUT3BUZZER200 Hz 100ΩR519U36B25LM555CN0
图2
3.3单元电路设计
3.3.1秒脉冲电路设计
VCCVCCR2100Ω4RSTDISTHRTRICONGND19V8VCCOUTU30371R3100Ω79062591C1100nF0VCC9VC21nFLM555CN
图3 由555构成的多谐振荡器
电路图如图3所示，由555定时器、电容和电阻组成震荡电路，产生秒脉冲信号。它是数字电子钟的核心部分，它的精度和稳定度决定于数字中的质量。通常晶体振荡器发出的脉冲经过整形、分频获得1Hz的秒脉冲。
555定时器与RC组成的系统接通电源后，电容C1被充电，vc上升，当vc上升到大于2/3VCC时，触发器被复位，放电管T导通，此时v0为低电平，电容C1通过R2和T放电，使vc下降。当vc下降到小于1/3VCC时，触发器被复位，v0翻转为高电平。电容器C1放电结束，所需时间为： T1=0.7R2C 当C1放电结束时，T截止，VCC将通过R
1、R2向电容器C1充电，vc由1/3VCC上升到2/3VCC所需的时间为：
T2=0.7（R1+R2）C
当vc上升到2/3VCC时，触发器又被复位发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为：1.43/（R1+2R2）C
本设计中频率可通过以上公式计算出来，f=1Hz
3.3.2时、分、秒计数器电路
一般采用10进制计数器来实现时间计数单元计数功能，要实现这一要求， 可选用的中规模集成计数器较多，这里我们选择使用74LS160。
图 4 74LS160 引脚图
如果采用反馈清零方式时在计数一遍后进入重新计数时时间间隔不是一个时间脉冲而是两个，会造成计数不准，例如十进制从0000—0001—0010—„„1001—1010（此状态虽不会显示但已经出来）—0000。 故现在采用反馈置数法实现，以十进制为例0000——0001——0010——„„1001 ——0000（不会出现1010状态，故很准） 其接法电路如图5图6。
秒信号经秒计数器、分计数器、时计数器之后。分别得到显示电路，以便实现用数字显示时、分、秒的要求。“秒”和“分”计数器应为六十进制，而“时”计数器应为二十四进制。
图 5两块74LS160构成的六十进制计数器
采用置数法74LS160 的
3、
4、
5、6引脚接地，低位的
7、
10、1引脚和高位1引脚接高电平，高位
7、10引脚接低位15引脚。其14—11引脚接显示译码器的
7、
1、
2、6引脚。
图6两块74LS160构成的二十四进制计数器
（1） 六十进制计数器。它由两块中规模集成十进制计数器74LS160，一块组成十进制，另一块组成六进制。采用置数法时，当高位出现0101状态，低位为1001状态，即计到59（第60个脉冲），如图5所示六十进制计数器。
（2） 二十四进制计数器。它由两块中规模集成十进制计数器74LS160构成。当高位出现0010状态，低位为0011状态，即计到第24个来自“分”计数器的进位信号时，产生反馈置数信号，如图6所示为二十四进制计数器。
3.3.3校时电路
在刚接通电源或者时钟走时出现误差时，则需要进行时间的校准。因此，应截断时分的直接计数通路，并采用正常计数信号与校时信号可以切换的电路接入其中。故我们设计了对时、分、秒各自校时的电路。设计原理是：将74ls160的两个使能端接在一起后接到单刀双掷开关的公共端，再将进位端和高电平分别接到另外两端。当开关按下时接入高电平，反之便会接到进位端。
图7 校时部分电路原理图
通过一个单刀双掷开关控制接入“时”计数电路的脉冲信号。若要校时，将校时脉冲信号引入“时”计数器，让其快速计数，在时计数器显示到需要的数字后再切掉校时信号，引入正常脉冲信号，完成校时功能。校分的原理和校时一样。
校时电路的连接情况如图8所示
图8 校时电路连接
3.3.4译码显示电路
选用器件时应当注意译码器和显示器件相互配合。一是驱动功率要足够大，二是逻辑电平要匹配秒计数器、分计数器、和时计数器的计数分别输送给各自的显示译码器74LS48，在数送给各自的数码管，显示出时、分、秒的计时。电路如图9所示为计数、译码显示电路。
图9译码显示电路
图10 74LS48引脚图
这里采用74LS48作为显示译码器，A0~A3接74LS160的QA~QD端
3、
4、5引脚都接高电平，9~15端接七段数码管。七段数码管引脚图如下图11（共阴极）
图11 七段数码管引脚图
译码显示电路在仿真中的连接情况如图12
图12
3.3.5定时电路设计
每当数字时钟计时与所设定的时间相同时开始发出5s的响声，响声是从第1s开始到第6s,响声的频率一样，即所发出的声音是一样的没有变化。定时电路即逻辑见下图13。
图13定时响5s真值表
由卡诺图可以计算出定时响5s的逻辑，其逻辑电路连接见下图14
VCC100R4100Ω101C4100nF103C3100nF8VCC47625RSTDISTHRTRICONGND1OUT3U35U37BUZZER200 Hz 100ΩR5LM555CN0
图14 响5s逻辑电路连接 4.软件仿真
4.1仿真电路图
GNDGNDCKCKCKCKCKCKU24ABCDEFGABCDEFGU25ABCDEFGU13ABCDEFGU15ABCDEFGU6ABCDEFGU84041424344454613121110915144748495051527613121110915145657585960616213121110915143165666768697091011121314151312111091514202122232425261312111091514OAOBOCODOEOFOG1312111091514OAOBOCODOEOFOG~LT~RBI~BI/RBO~LT~RBI~BI/RBO~LT~RBI~BI/RBO~LT~RBI~BI/RBO~LT~RBI~BI/RBOABCDABCDABCDABCD7126354ABCD71263547126ABCDU1274LS48NU1474LS48N71263547126354712653547255U16B7474LS08D6475631413121115354U3B7874LS08D16171887~LOAD~CLR35363432141312111537U21B74LS03N14131211151413121115QAQBQCQDQAQBQCQDQAQBQCQDRCORCORCOQAQBQCQD141312111514131211~LOAD~CLR~LOAD~CLR~LOAD~CLRQAQBQCQDRCOQAQBQCQDCLKCLKCLKENPENTENPENTENPENTENPENTCLKU20B2774LS08DU17AABCDABCDABCD710710710ABCD54RCO74LS160N710~LOAD~CLR~LOAD~CLR34569123456912345691234569121U274LS160NCLK15U18U1974LS160NU107374LS160NRCOU974LS160N354~LT~RBI~BI/RBOU2274LS48NU2374LS48NU574LS48NOAOBOCODOEOFOGU774LS48NOAOBOCODOEOFOGOAOBOCODOEOFOGOAOBOCODOEOFOGU174LS160NCLK2ENPENT300710VCC9VU26A9VVCC274LS21N710VCCU11BABCD34569123456U4BVCC674LS00D74LS00D09VVCC78J23J1U27ALTBAEQBAGTBB0A0B1A1765OALTBOAEQBOAGTBB2A2B3A32349101112141311574LS21D3877I2BIPOLAR_CURRENT092U28ALTBAEQBAGTB2349101112141311588Key = SpaceVCC29I1BIPOLAR_CURRENT0U34ALTBAEQBAGTBB0A0B1A1765OALTBOAEQBOAGTBB2A2B3A323491011121413115Key = Space8584U29OR283393381820765OALTBOAEQBOAGTBB0A0B1A1B2A2B3A380VCCU33ALTBAEQBAGTB2349101112141311596U32ALTBAEQBAGTB23491011121413115U31ALTBAEQBAGTB23491011121413115VCCR2100Ω04RSTDISTHRTRICON9V7485N7485N8VCCOUTU3038689765OALTBOAEQBOAGTBB0A0B1A1B2A2B3A39495765OALTBOAEQBOAGTBB0A0B1A1B2A2B3A3999798765OALTBOAEQBOAGTBB0A0B1A1B2A2B3A3LED279LED1VCCR1100Ω9V71R3100Ω7906257485N937485NVCC7485N7485NC1100nF0VCC91GND1C21nFLM555CN9VVCCVCC9VR4100Ω101C4100nF10274LS04DC3100nF10347691280ABCDVCCENPENTU35100U378VCCRSTDISTHRTRICONGND1OUT3BUZZER200 Hz 100ΩR519U36B25LM555CN0
4.2仿真过程
按下仿真开始开关，观测时钟是否正常计时。键盘上的A和B分别控制着校时和校分，按下A开始校时，再次按下，校时停止；按下B开始校分，再次按下，校分停止。让钟表计时到整点，观测整点指示灯是否点亮。
4.3仿真结果
按下仿真开关后，数字钟可以正常计时，从左至右依次是“时”十位，“时”个位，“分”十位，“分”个位，“秒”十位，“秒”个位。
按下校时开关和校分开关后，可以正常校时和校分。
时钟计时到23点59分59秒后，
会全部清零，重新开始新的一天。
5.结论
通过这次对数字钟的设计与制作，对电子技术有了一些初步了解，但那都是一些理论的东西。通过这次数字电子钟的课程设计，我们才把学到的知识与实践相结合。从而对我们学的知识有了更进一步的理解，使我们进一步加深了对所学知识的记忆。
在此次的数字钟设计过程中，我更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题，同时我们也掌握了做设计的基本流程，为我们以后进行更复杂的设计奠定了坚实的基础。
6.使用仪器设备清单
1.555定时器 2.74LS160 3.74LS161 4.6段译码显示器 5.脉冲发生器 6.74LS48 7.74LS20 8.74LS04 9.74LS08 10.单刀双掷开关
7.参考文献
1.马学文，李景宏.电子技术实验教程.北京：科学出版社.2013 2.李景宏，王永军编著.数字逻辑与数字系统.北京：电子工业出版社，2012 3.高吉祥，易凡编著.电子技术基础实验与课程设计.北京：电子工业出版社，2002 4.王义军.数字电子技术基础.北京：中国电力出版社，2007 5.黄培根，任清褒 .Multisim7&电路分析基础实验.浙江：浙江大学出版社,2002 6.贾更新.电子技术基础实验，设计与仿真.郑州：郑州大学出版社，2006 7.赵淑范.电子技术实验与课程设计.北京：清华大学出版社,2006
8.收获、体会和建议
十多天的数字电子课程设计马上就要画上圆满的句号，在这期间的收获很多，高兴过沮丧过，当电路终于能够符合设计指标和要求的时候，心情无比的舒畅。但是mutisim本身的一个缺陷使得无法在仿真的时候使用晶振加上4060产生1赫兹的方波，但是在现实的情况下，这样是完全能够产生的。所以在做仿真的时候就用了555多谐振荡电路来代替，以检验其他功能模块是否符合设计的要求。在这次课设期间是我更加熟练的掌握了仿真软件multisim的一些用法，原来没有发现的功能在这次做课设的时候学会了，我想这是一大收获。另外这次课设也让我更加了解一些元器件的功能如74ls160,74ls40以及一些门电路逻辑功能的算法。
设计本身并不是有很重要的意义，而是同学们对待问题时的态度和处理事情的能力。至于设计的成绩无须看的太过于重要，而是设计的过程，设计的思想和设计电路中的每一个环节，电路中各个部分的功能是如何实现的。各个芯片能够完成什么样的功能，使用芯片时应该注意那些要点。同一个电路可以用那些芯片实现，各个芯片实现同一个功能的区别。另外，我们设计要从市场需求出发，既要有强大的功能，又要在价格方面比同等档次的便宜。
